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直流调速系统课程设计任务书

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2020年4月19日
文档仅供参考
《电力拖动与运动控制系统》课程设计任务书
- 第2学期
设计专题题目：双闭环直流调速系统的设计
一、课程设计的目的
课程设计是教学计划规定的一个重要教学环节，是一个综合运用所学知识解决工程实际问题的过程。本课程设计不但需要控制理论、硬件设计、程序设计等方面的基础知识，而且还需要具备一定的生产工艺知识。设计包括明确控制系统要求、系统总体方案设计、系统仿真、硬件系统设计、控制软件的设计等，以便使学生掌握计算机控制系统设计的总体思路和方法。
课程设计需要提供设计报告，经过提交设计报告提高学生们编写报告的水平。
二、设计内容和要求
直流调速系统凭借其优良的调速性能在现场中得到了广泛使用，虽然交流电机得到了越来越多的使用，但直流调速系统的理论完全适用于交流电机调速系统的设计。
针对附录中提供的直流电机参数，进行直流电机调速系统的设计。要求该直流调速系统调速范围宽、起制动性能好、可四象限运行，具体设计内容如下：
1. 绪论
介绍直流调速在工业生产中的应用及直流调速理论的发展，经过调查市场上的直流调速产品，了解当前直流调速产品的结构与功能。
2. 直流调速系统的主电路设计
(1) 根据提供的直流电动机参数，选择相应的主电路形式，主电路主要采用两种形式：基于H桥的直流脉宽调速系统、晶闸管—电动机直流调速系统。
(2) 根据附录中所提供的直流电机参数和选择的主电路形式，对主电路中的功率器件进行型号选择，并要求给出选择依据；
(3) 根据选择的主电路拓扑结构所采用的电力电子器件，设计或选择电力电子器件的驱动电路。要求给出所设计或选择的晶闸管触发电路、全控型器件IGBT驱动电路的原理图，并对驱动电路的原理简要说明。
(4) 根据系统控制要求，选择相应的电压、电流和温度等传感器，要求给出具体型号；
(5) 要求在主回路设计中需给出相应的保护及缓冲电路；
(6) 列出所选用主电路的器件清单(包括：名称、型号、厂商、数量、参考价格)。
3. 直流调速系统的控制理论
(1) 给出双闭环直流调速系统的动态结构框图，掌握双闭环直流调速系统的起动过程与特点；
(2) 根据提供的直流电动机参数和所设计的电力电子变换环节参数，确定动态结构框图各环节的具体参数；
(3) 运用工程化设计方法对直流调速系统的调节器进行参数设计，要求必须给出限幅的具体参数及依据，以表格的形式总结所设计的转速调节器、电流调节器的参数；
(4) 利用Protel软件绘制带有内外限幅的PI调节器的模拟电路图，要求根据设计的PI调节器参数确定调节器中电阻和电容的参数；
(5) 给出确定各环节参数后的直流调速系统完整结构框图。
4. 双闭环直流调速系统的Matlab仿真
(1) 根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图，建立Matlab仿真模型，并对调节器参数设计的合理性进行验证；
(2) 运用Matlab/Simulink下的电机模型，建立基于电机模型的仿真模型，并对调节器的参数作出调整。
5. 数字控制器的设计
(1) 硬件设计：根据所选数字处理器，进行相应硬件电路的设计，要求包括PWM输出、AD采样及信号处理电路、编码器接口等；
(2) 软件设计：给出双闭环直流调速系统的整体控制流程图，并给出增量式PI调节器、数字测速的程序流程框图。
三、参考资料
[1] 陈伯时，电力拖动自动控制系统—运动控制系统（第4版)[M].北京：机械工业出版
社, .
[2] 陈伯时，电力拖动自动控制系统—运动控制系统（第3版)[M].北京：机械工业出版社, .
[3] 汤蕴缪，等.电机学(第三版).北京：机械工业出版社， .
[4] 谢克明，等.自动控制原理(第二版).北京：电子工业出版社， .
[5] 王兆安，等.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社， .
[6] 洪乃刚，电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真，北京：机械工业出版社， .

附录：直流电机参数
直流电机1：
额定功率Pe=3kW；额定电压Ue=220V
额定电流Ie=17.3A；额定转速ne=1500r/min
电枢回路总电阻R=2.5Ω;
电磁时间常数Tl=0.017s;
机电时间常数Tm=0.076s；
电动势系数Ce=0.1352V/（r.min-1 )
直流电机2：
额定功率: 2.2kW 额定电压:220V
额定电流:Ie=12.5A 额定转速: ne=1500r/min
电枢回路总电阻R=2.5Ω;
电磁时间常数Tl=0.010s;
机电时间常数Tm=0.073s；
电动势系数Ce=0.1352V/（r.min-1 )
直流电机3：
额定功率Pe=1.5kW；额定电压Ue=156V
额定电流Ie=11.5A；额定转速ne=1000r/min
电枢回路总电阻R=2.4Ω;
电磁时间常数Tl=0.004s;
机电时间常数Tm=0.07s；
电动势系数Ce=0.144V/（r.min-1 )
直流电机4：
额定功率Pe=15KW；额定电压Ue=440V
额定电流Ie=39.3A；额定转速ne=1510r/min
电枢回路总电阻R=0.806Ω;
电磁时间常数Tl=0.0167s;
机电时间常数Tm=0.76s；
电动势系数Ce=0.270V/（r.min-1 )
直流电机5：
额定功率Pe=18KW；额定电压Ue=220V
额定电流Ie=94A；额定转速ne=1000r/min
电枢回路总电阻R=0.45Ω;
电磁时间常数Tl=0.0297s;
机电时间常数Tm=0.427s；
电动势系数Ce=0.2059V/（r.min-1 )
直流电机6：
额定功率Pe=10KW；额定电压Ue=220V
额定电流Ie=55A；额定转速ne=1000r/min
电枢回路总电阻R=0.6Ω;
电磁时间常数Tl=0.00833s;
机电时间常数Tm=0.045s；
电动势系数Ce=0.1925V/（r.min-1 )
直流电机7：
额定功率Pe=11KW；额定电压Ue=230V
额定电流Ie=47.8A；额定转速ne=1450r/min
电枢回路总电阻R=1.8Ω;
电磁时间常数Tl=0.00278s;
机电时间常数Tm=0. s；
电动势系数Ce=0.1290V/（r.min-1 )
直流电机8：
额定功率Pe=3.7kW；额定电压Ue=220V
额定电流Ie=20A；额定转速ne=1000r/min
电枢回路总电阻R=1.5Ω;
电磁时间常数Tl=0.018s;
机电时间常数Tm=0.080s；
电动势系数Ce=0.206V/（r.min-1 )

直流电机9：
额定功率Pe=60kW；额定电压Ue=220V
额定电流Ie=308A；额定转速ne=1000r/min
电枢回路总电阻R=0.18Ω;
电磁时间常数Tl=0.012s;
机电时间常数Tm=0.120s；
电动势系数Ce=0.196V/（r.min-1 )
直流电机10：
额定功率Pe=200W；额定电压Ue=220V
额定电流Ie=1.2A；额定转速ne=1600r/min
电枢回路总电阻R=5.2Ω;
电磁时间常数Tl=0.0091s;
机电时间常数Tm=0.4825s；
电动势系数Ce=0.1290V/（r.min-1 )
直流电机11：
额定功率Pe=3kW；额定电压Ue=160V
额定电流Ie=24A；额定转速ne=1540r/min
电枢回路总电阻R=0.785Ω;
电磁时间常数Tl=0.00306s;
机电时间常数Tm=0.09437s；
电动势系数Ce=0.0917V/（r.min-1 )
直流电机12：
额定功率Pe=15kW；额定电压Ue=160V
额定电流Ie=120A；额定转速ne=1000r/min
电枢回路总电阻R=0.4Ω;
电磁时间常数Tl=0.023s;
机电时间常数Tm=0.2s；
电动势系数Ce=0.136V/（r.min-1 )

直流电机13：
额定功率Pe=1.5kW；额定电压Ue=220V
额定电流Ie=8.7A；额定转速ne=1500r/min
电枢回路总电阻R=5.26Ω;
电磁时间常数Tl=0.021s;
机电时间常数Tm=0.016s；
电动势系数Ce=0.132V/（r.min-1 )
直流电机14：
额定功率Pe=22kW；额定电压Ue=220V
额定电流Ie=116A；额定转速ne=1500r/min
电枢回路总电阻R=0.112Ω;
电磁时间常数Tl=0.116s;
机电时间常数Tm=0.157s；
电动势系数Ce=0.138V/（r.min-1 )
直流电机15：
额定功率Pe=90kW；额定电压Ue=440V
额定电流Ie=220A；额定转速ne=1800r/min
电枢回路总电阻R=0.088Ω;
电磁时间常数Tl=0.0174s;
机电时间常数Tm=0.1s；
电动势系数Ce=0.234V/（r.min-1 )